遼寧省高速公路縱向裂縫典型病害的調(diào)查分析與研究

周健楠

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168； 2.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 3.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽市 110015)

※基金項(xiàng)目：遼寧省交通科技重點(diǎn)項(xiàng)目(201708)

目前，遼寧省的高速公路路面性能處于穩(wěn)步提升的階段，已基本消除了坑槽、泛油、水損害等路面早期損壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)承載能力得到基本保證。總體而言，遼寧省高速公路路面性能狀態(tài)由多種損壞多發(fā)發(fā)展到單一損壞突出，裂縫問題依舊難以解決，其中縱向裂縫的發(fā)生更是嚴(yán)重影響路面的結(jié)構(gòu)性能和路用性能[1]。

因此，通過對(duì)遼寧省高速公路瀝青路面的縱縫進(jìn)行跟蹤調(diào)查，對(duì)縱向裂縫較多的典型路段進(jìn)行了裂縫產(chǎn)生原因的分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場芯樣和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)Top-Down開裂產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析。從而進(jìn)一步明確遼寧省高速公路瀝青縱向裂縫的發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)，為進(jìn)一步有效控制縱向裂縫的發(fā)生奠定基礎(chǔ)。

1 調(diào)查數(shù)據(jù)及分析

選取遼寧省高速公路縱向裂縫較為嚴(yán)重的西開高速、錦阜高速和永桓高速作為典型路段進(jìn)行觀測，每公里的縱向裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由表1可以看出，西開高速、錦阜高速和永桓高速的縱向裂縫均較為嚴(yán)重，且呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，并有逐漸發(fā)展成網(wǎng)裂的趨勢。除錦阜高速外，西開高速和永桓高速瀝青路面面層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層瀝青路面在抗低溫開裂方面有其自身的弱勢，由于西開高速和永桓高速車流量均較小，不考慮路基沉降等因素，主要為低溫氣候條件和老化條件下的綜合影響，因此，建議在寒冷地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)增加瀝青層的厚度，并且在表面層SBS改性瀝青選擇時(shí)，采用低溫條件下勁度模量較低的瀝青膠結(jié)料，滿足瀝青路面低溫抗開裂驗(yàn)算和實(shí)際路用性能的要求。

表1 典型高速公路縱向裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

與此同時(shí)，由于瀝青膠結(jié)料在氣候條件作用下，不可避免地發(fā)生老化現(xiàn)象，造成路面由于膠結(jié)料老化所產(chǎn)生的裂縫，因此，在未來修筑雙層瀝青路面時(shí)，對(duì)于交通量較小且氣候條件不苛刻的地區(qū)，建議采用SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料作為上面層，由于SMA具有較好的抗低溫開裂、抗老化性能，可減少由于老化原因引起的瀝青層開裂，減少運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的投入。

2 現(xiàn)場鉆芯取樣調(diào)查

路面鉆孔取芯是一種操作簡單而且費(fèi)用較小的有效方法，通過鉆孔取芯可以觀察路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實(shí)狀態(tài)，對(duì)取回的芯樣可以進(jìn)一步分析其力學(xué)性能或體積特性等，從而能夠評(píng)價(jià)該路段路面結(jié)構(gòu)的性能。

根據(jù)鉆芯和挖驗(yàn)結(jié)果，將縱縫分為三種類型：路基不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)性開裂、車道中心縱縫和沿輪跡帶發(fā)展縱縫。調(diào)查分析結(jié)果表明，大部分縱縫發(fā)生在行車道，裂縫上寬下窄，自上而下發(fā)展，表現(xiàn)出典型的T-D(Top-Down)開裂的特點(diǎn)。其中，車道中心縱縫基本沿垂直方向自上而下發(fā)展，具有受拉開裂特征；輪跡帶縱縫則在一定深度以一定角度向下發(fā)展，具有剪切開裂特征。即輪跡帶的縱向裂縫主要由荷載引起的剪應(yīng)力導(dǎo)致，而車道中心的縱縫則主要是由拉應(yīng)力導(dǎo)致。

對(duì)遼寧省高速公路瀝青路面縱縫病害的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，對(duì)不同運(yùn)營年限的路面縱向裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。可以看出，對(duì)于縱向裂縫，在通車7～8年左右會(huì)發(fā)生突變，在行車荷載及瀝青老化的作用下，裂縫數(shù)量和面積會(huì)顯著增加。因此，在不考慮施工水平、結(jié)構(gòu)型式、路基沉降等因素，建議對(duì)于遼寧省高速公路瀝青路面，在通車6年、縱向裂縫發(fā)生突變之前，要進(jìn)行一次例如薄層罩面等維修方式，避免產(chǎn)生大面積的龜網(wǎng)裂，造成下層瀝青層及基層的損壞。

圖1 縱向裂縫的發(fā)展特點(diǎn)

3 T-D開裂室內(nèi)試驗(yàn)研究

目前，對(duì)于瀝青路面的橫向裂縫、車轍的原因相對(duì)比較明確，而TD形式的縱縫發(fā)生在通車十年之內(nèi)，對(duì)應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度大部分仍處于良好水平，這與目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的理論基礎(chǔ)是不一致的。關(guān)于TD開裂的原因目前仍存在爭議。因此，有必要對(duì)TD形式的縱縫進(jìn)行深入研究[2]。

分別在路肩和開裂附近位置表觀無損區(qū)域鉆芯，將芯樣按照材料類型分層切割，通過劈裂試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。劈裂強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20-2011)中T0716-2011進(jìn)行，試驗(yàn)溫度均為15℃[3]。

由于鉆芯得到的試件高度不一，與標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)試驗(yàn)成型的試件厚度差距較大，為考慮試件厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可能影響，選擇90#基質(zhì)瀝青AC-13瀝青混合料，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法，制備150mm×100mm試件，按照不同厚度進(jìn)行切割。對(duì)切割得到的不同厚度試件分別進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，分析厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 AC-13劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表3是對(duì)劈裂試驗(yàn)得到的強(qiáng)度和模量與厚度的相關(guān)性分析結(jié)果。由表可知，劈裂強(qiáng)度和彈性模量與厚度的相關(guān)分析均不能通過顯著性檢驗(yàn)，因此可以初步認(rèn)為試件的厚度在一定范圍內(nèi)變化不會(huì)對(duì)劈裂試驗(yàn)結(jié)果造成影響。張肖寧教授[4]研究結(jié)果表明，對(duì)于AC-13型瀝青混合料，厚度在40～75mm試件的間接拉伸動(dòng)態(tài)模量基本保持一致，厚度30mm的試件模量值在5℃時(shí)明顯偏高，在20℃時(shí)差別不明顯。從而說明采用間接拉伸的方式對(duì)瀝青混合料芯樣進(jìn)行評(píng)價(jià)是合理可行的。

表3 劈裂試驗(yàn)與厚度相關(guān)性

4 代表路段試驗(yàn)結(jié)果

以丹本高速為例，路面結(jié)構(gòu)形式為：4cmAK-13+5cmAC-20+6cm AC-25+36cm半剛性基層，交通荷載等級(jí)為中等。調(diào)查時(shí)間為通車后12年，主要病害類型為行車道沿輪跡帶發(fā)展的縱縫。不同層位芯樣劈裂試驗(yàn)結(jié)果見表4～表6所示。

表4 上面層芯樣劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表5 中面層芯樣劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表4～表6可知，行車道和路肩中下面層的強(qiáng)度和模量相當(dāng)，差別在10%以內(nèi)。而上面層對(duì)應(yīng)的模量和強(qiáng)度的差距比較突出。行車道上面層和路肩對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度分別為1.49MPa和1.94MPa，對(duì)應(yīng)的彈性模量分別為900MPa和1490MPa。分析路肩強(qiáng)度和模量較大原因是因?yàn)殡S著路齡的增長，發(fā)生了明顯的老化現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，對(duì)該路段上面層瀝青混合料AK-13進(jìn)行了復(fù)配，將復(fù)配后的上面層劈裂試驗(yàn)結(jié)果與行車道和路肩對(duì)比，如圖2所示。

表6 下面層芯樣劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖2 上面層芯樣彈性模量和劈裂強(qiáng)度關(guān)系

由圖2可以看出，與復(fù)配后的上面層瀝青混合料AK-13相比，在相同劈裂強(qiáng)度下，彈性模量排序?yàn)槁芳?T-D開裂位置>新拌瀝青混合料。一般而言，瀝青混合料的模量在環(huán)境作用下，由于老化因素，隨著時(shí)間的增長，呈現(xiàn)增大的趨勢；在荷載作用下，由于疲勞因素，呈現(xiàn)減小的趨勢。而T-D開裂位置的彈性模量介于路肩和新拌瀝青混合料之間。因此，可以推斷，T-D開裂位置既存在老化，也存在荷載疲勞，并且該種疲勞現(xiàn)象發(fā)生在上面層輪跡帶，其主要原因是由于車輛荷載對(duì)路面的剪切作用造成的。由此可知，瀝青路面T-D開裂與荷載和環(huán)境作用密切相關(guān)。

5 結(jié)語

(1)遼寧省高速公路縱縫病害主要以T-D(Top-Down)形式為主，縱縫多發(fā)生在行車道輪跡帶或車道中心。輪跡帶的縱向裂縫主要由荷載引起的剪應(yīng)力導(dǎo)致，而車道中心的縱縫則主要是由拉應(yīng)力導(dǎo)致。

(2)行車道輪跡帶T-D模式的縱縫與交通荷載和瀝青混合料老化有密切關(guān)系，在重載交通路段混合料設(shè)計(jì)過程中，建議增加抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并適當(dāng)提高混合料抗剪強(qiáng)度。

(3)與橫向裂縫類似，縱縫的產(chǎn)生與磨耗層瀝青混合料類型存在密切關(guān)系。對(duì)于耐久性較好的SMA面層而言，其縱縫出現(xiàn)時(shí)間較晚。

(4)對(duì)于遼寧省高速公路瀝青路面，在通車6年、縱向裂縫和龜網(wǎng)裂發(fā)生突變之前，要進(jìn)行一次例如薄層罩面等維修方式，避免產(chǎn)生大面積的龜網(wǎng)裂，造成下層瀝青層及基層的損壞。